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CREAZIONE E SPERIMENTAZIONE CONGIUNTA DI MODELLI PER L'OTTIMIZZAZIONE DELL'UTILIZZO DI ENERGIA FOTOVOLTAICA

 


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QUALI SONO LE TIPOLOGIE DI CELLE SOLARI?

Diversi sono i tipi di celle solari a disposizione. 

  • Celle a silicio cristallino, monocristallino e policristallino
La maggior parte dei moduli fotovoltaici disponibili attualmente sul mercato, per ragioni storiche e tecnologiche, sono basati su celle solari a silicio cristallino. Essendo stato il silicio il primo materiale semiconduttore ad essere “drogato” per studi riguardanti l’effetto foto-elettrico della giunzione p-n, esso ha ricevuto dall'inizio il maggior interesse nella comunità scientifica ed è quello che si è maggiormente diffuso.
Le celle solari a silicio cristallino sono prodotte utilizzando sia silicio monocristallino che multi-cristallino; la prima tecnologia ha una efficienza di conversione maggiore, mentre la seconda ha un costo di produzione minore. A livello di laboratorio non è raro ottenere celle solari con efficienza superiori al 25%.

  • Celle a film sottile: a – Si, CdTe, CIS/CIGS, multi-giunzione, DSSC - organiche 
Le celle solari a film sottile, chiamate anche “celle solari della seconda generazione” sono costituite da materiale semiconduttore quale il silicio amorfo, il telloruro di cadmio o il rame, indio, di-selenide. Questi materiali sono solitamente depositati su un sotto-strato di differente materiale che può essere rigido o flessibile. Le tecnologie a film sottile sono state sviluppate a partire dagli anni ’70 con lo scopo di trovare un valido ed economico sostituto alle celle di silicio cristallino. Infatti, l’alto costo delle celle e quindi dei moduli è stato per anni il principale ostacolo alla diffusione della tecnologia fotovoltaica nel settore della produzione di energia elettrica. Dal punto di vista teorico il film sottile potrebbe avere prestazioni elettriche migliori rispetto al silicio cristallino grazie alla riduzione dello spessore del materiale attivo che limita gli effetti di ricombinazione (incrementando così la tensione di circuito aperto V0C ed il fattore di riempimento). Tuttavia il basso coefficiente di assorbimento dei semiconduttori quali il silicio pone pesanti limiti allo spessore minimo da utilizzare per lo strato attivo rendendo così vani i vantaggi appena citati. Una maggiore efficienza viene ottenuta creando trappole per la luce e creando particolari tessiture in superficie le quali però, essendo trattamenti operati su scala nanometrica, non sono economiche e fattibili su scala industriale. 
  • Silicio amorfo
Anche se il silicio è lo stesso elemento chimico usato per le celle mono-multi cristallino, il metodo di deposizione in questo caso non permette la formazione di strutture cristalline orientate e gli atomi di silicio sono connessi uno all’altro in modo non ordinato. 
Il materiale di partenza usato per la deposizione dello strato amorfo su uno strato ausiliario (solitamente vetro o acciaio inossidabile) è il Silano (SiH4). Il fatto di usare un differente materiale di partenza permette di rendere la produzione della cella solare indipendente dalla volatilità dei prezzi del polysilicon, fattore che durante il periodo di sua carenza, ha fortemente intaccato l’industria del fotovoltaico.
Il tipico band-gap di una cella a silicio amorfo è dell’ordine dei 1.75 eV e la più alta efficienza ottenuta in laboratorio si attesta sul 13.4% (LG electronics nel 2012). E’ necessario osservare che questa tecnologia soffre dell’effetto di Staebler – Wronski, una degradazione indotta dalla luce durante le prime 200 ore di esposizione alla radiazione solare; la perdita di efficienza può essere sull’ordine del 30%. L’effetto è reversibile, ciò significa che l’efficienza iniziale può essere ottenuta ricorrendo ad un processo di ricottura termica della cella. Le aspettative per questa tecnologia sono di raggiungere una efficienza maggiore del 10% ed un costo di produzione di gran lunga inferiore al silicio cristallino in modo da renderla interessante per una ampia gamma di applicazioni.
 
  • Celle CdTe
La sinterizzazione del telloruro di cadmio risale al 1879 da parte di Margotten. Le prime sperimentazioni sulle proprietà semiconduttive risalgono al 1954 quando Jenny e Bube scoprirono la possibilità di eseguire drogaggi di tipo n e di tipo p il CdTe. Nel 1976 venne realizzata da Bonnet la prima cella avente una efficienza del 6%; sebbene siano state tra le prime ad essere studiate nell’era del fotovoltaico dovettero passare altri 20 anni prima che una cella raggiungesse una maturità tale da essere introdotta nel mercato. Nel 2011 il CdTe,tra le tecnologie a film sottile, è quella con la quota maggiore di mercato.
Il materiale CdTe è un semiconduttore a band-gap diretto con un’energy gap di 1.5 eV; esso presenta uno spettro di assorbimento della radiazione che permette la conversione di una larga banda delle lunghezze d’onda e ciò lo rende una delle scelte più interessanti per le applicazioni fotovoltaiche con film sottile.
I moduli a CdTe sono costituiti da celle basate sull’etero-giunzione formata da CdS tipo n e CdTe di tipo p. Il record di efficienza è stato ottenuto da GE Global Research con un 18.3%, solitamente l’efficienza della cella è sull’ordine del 12.5%.
Presumibilmente la tecnologia a CdTe non raggiungerà mai la leadership di mercato a causa di problemi di disponibilità del materiale di base; tuttavia risulta essere un interessante alternativa al silicio cristallino nella applicazioni multi-megawatt e soprattutto in applicazioni in ambienti ad elevate temperature.
  • CIS/CIGS
Le celle CIGS sono una delle configurazioni più innovative nel panorama dell’industria fotovoltaica. Sono prodotte con un composto di rame, indio, gallio e selenio depositato su uno vetro o su uno strato flessibile.
Le celle CIS (CuInSe2) hanno la peculiarità di assorbire il 99% della radiazione solare utilizzando pochi micron di materiale fotoelettrico; questo fa sì che la cella abbia una delle più alte efficienze disponibili sul mercato. Aggiungendo piccole dosi di Gallio si realizzano le celle CIGS (Cu(In1xGax)Se2) aventi efficienza ancora maggiore lungo l’intero spettro della radiazione solare (aumento della versatilità della cella).
Grazie alla sua alta e stabile efficienza energetica le celle CIGS possono essere considerate le più promettenti per il mercato fotovoltaico, tuttavia il loro elevato costo di fabbricazione ne riduce fortemente l’attrattività. Ci sono anche altri aspetti da considerare: il primo riguarda la disponibilità di Indio, il cui prezzo e mercato è legato alla industria degli LCD; il secondo è legato all’uso del CdS in uno degli strati che compongono la cella. La ricerca ha buone prospettive per quanto riguarda la sostituzione dei materiali mentre una sensibile riduzione dei costi pare ancora piuttosto lontana.
  • Celle solari multi-giunzione
Esiste un limite termodinamico per l’efficienza delle celle a singola giunzione, esso è del 40.7%. Per superare tale limite le l’industria del fotovoltaico produce celle a multi-giunzione.
Il principio che sta alla base consiste nella ricerca dell’assorbimento della maggior parte possibile dello spettro solare. Le celle multi-giunzione sono formate dalla sovrapposizione di più "film sottili" di semiconduttori aventi caratteristiche diverse fra loro (devono avere gap di energia diversi), così che ciascuno strato possa assorbire in modo ottimale un preciso spettro di radiazione solare.
La cella che sta nella parte superiore agisce come una sorta di filtro per le celli che stanno sotto, essa assorbe i fotoni con la più alta energia e lascia passare quelli ad energia minore che raggiungono le celle successive. 
Le celle multi-giunzione sono solitamente prodotte usando GaAs, GaInP, InP, GaInAs, e Ge. 
Le connessioni elettriche possono essere separate per ogni sotto-cella che può essere resa elettricamente indipendente l’una dall’altra. Possono anche essere connesse l’una con l’altra ma questa soluzione riduce le prestazioni complessive.
Il record di efficienza viene raggiunto per applicazioni con la concentrazione: 44%. Il loro sviluppo su larga scala è limitato a causa del loro alto costo e della relativamente bassa affidabilità.
  • DSSC Celle organiche
Con l’obiettivo di ottenere alti rendimenti per le celle ad un costo finale sempre minore, la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di celle basate su materiali inorganici o polimerici aventi un effetto fotoelettrico. Le celle DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) sono una tecnologia emersa dal nuovo filone di ricerche basate su uno strato di vetro conduttivo (anodo) associato ad uno strato semiconduttore di particelle nanometriche di ossido di titanio TiO2 depositato con il processo di sputtering. 
Lo strato semiconduttore è imbevuto di materiale organico con proprietà fotoelettriche le cui molecole si dispongono lungo i bordi dei grani del semiconduttore. Quando la “tintura” di materiale organico viene interessata dalla radiazione solare, i fotoni causano un trasferimento di un elettrone dallo strato organico allo strato di materiale semiconduttore che è a contatto con il vetro conduttivo che agisce da connessione tra cella e circuito elettrico.
Il circuito elettrico è chiuso attraverso un secondo elettrodo (catodo) composto da una piastra di vetro avente un strato catalizzatore poroso con struttura micro-cristallina di platino o carbonio e un elettrolita che chiude effettivamente il circuito elettrico. 
Le celle DSSC come le altre tecnologie organiche sono riuscite a raggiungere una efficienza sull’ordine del 11,4%; il principale vantaggio è il processo di fabbricazione molto economico e poco energivoro. Nonostante queste caratteristiche positive nel breve periodo presumibilmente non raggiungeranno una quota di mercato rilevante.


 

 
 
 
 

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